[发明专利]无线通信中集中式同时同频全双工MAC协议和方案

摘要

本发明公开了一种无线通信中集中式同时同频全双工FD‑MAC协议和方案。主要解决了对称和非对称双向全双工传输模式实现、单向上行和下行传输模式兼容及隐藏终端导致的碰撞问题。本发明在IEEE 802.11的MAC协议基础上，又增有对称和非对称双向的全双工传输模式共同形成基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案。本发明添加了两个控制帧FRTS/FCTS，与原有的RTS/CTS帧一起完成单向上行下行模式以及对称和非对称同时同频全双工模式的握手过程。本发明兼容传统无线双工的传输模式，解决了一部分碰撞问题，使用同时同频全双工传输模式能够有效的提高频谱利用率。用于集中式通信系统中。

主权项

1.一种无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案，在同一频段同一时段的信道中针对于中心接入节点AP的数据传输包含有上行单向的半双工传输模式和下行单向的半双工传输模式，其特征在于，还增加有对称双向的全双工传输模式和非对称双向的全双工传输模式，共同形成基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案：

在总体方案中使用带内全双工IBFD的方式，在同一频段同一时段的信道中，既可以实现上行单向的半双工模式的数据传输和下行单向的半双工模式的数据传输，同时还可以实现对称双向的全双工模式的数据传输和非对称双向的全双工模式的数据传输。

2.根据权利要求1所述的无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案，其特征在于，所述对称双向的全双工传输模式是对称的上下行双向链路的同时同频无线全双工传输模式，中心接入节点AP与用户节点E在上行和下行的通信链路中互为源节点和目的节点，AP和E构成了同时进行上行下行数据发送和接收的FD‑SBi通信链路；所述非对称双向的全双工传输模式是非对称的上下行双向链路的同时同频无线全双工传输模式，中心接入节点AP与用户节点C在上行通信链路中分别为目的节点和源节点，中心接入节点AP和用户节点D在下行通信链路中分别为源节点和目的节点，AP、C和D构成了同时进行上行下行数据发送和接收的FD‑ABi通信链路。

3.根据权利要求1或2所述的无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议方案，其特征在于，通过四种不同的握手过程实现上行单向的半双工传输模式和下行单向的半双工传输模式与对称双向的全双工传输模式和非对称双向的全双工传输模式的工作兼容，具体由四个控制帧RTS/CTS/FRTS/FCTS组合实现，该四个控制帧的设计如下：

利用IEEE 802.11中原有的请求发送控制帧RTS与清除发送控制帧CTS，再另外添加全双工请求发送控制帧FRTS和全双工清除发送控制帧FCTS，其中，RTS和CTS两个控制帧仅限于终端用户节点使用，分别负责上行链路的接入请求和下行链路的接入应答；而FRTS和FCTS两个新的控制帧仅限于中心接入节点AP使用，分别负责下行链路的接入请求和上行链路的接入应答；另外，RTS与FRTS也可以分别实现下行链路的接入应答和上行链路的接入应答的功能；

RTS帧中包含上行链路的终端用户节点地址和中心接入节点地址以及数据长度；

CTS帧中包含下行链路的中心接入节点地址以及数据长度；

FRTS帧中包含上行链路的终端用户节点地址、下行链路的终端用户节点地址和中心接入节点地址以及数据长度；

FCTS帧中包含上行链路的终端用户节点地址以及数据长度；

除此之外，还有上行链路数据帧DATA‑U、下行链路数据帧DATA‑D和确认帧ACK，令数据帧与确认帧的定义与原有的IEEE 802.11中的定义一致；令DATA‑U帧和DATA‑D帧的长度相同。

4.一种无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议，其特征在于，通信过程包括如下3个过程：

1)信道监听过程：

使用载波监听多路访问的机制，令有数据通信需求的节点在接入信道前进行信道监听，当监听信道空闲DIFS时隙时，以随机退避的方式进行信道竞争；

2)握手过程：

在进行信道竞争时，利用RTS/CTS/FRTS/FCTS四种控制帧进行通信链路的握手，该握手过程包含四种独立的情况，如下：

a)使用RTS/FCTS控制帧完成上行单向链路的半双工传输的握手过程，建立上行单向的半双工模式的数据通信链路；

b)使用FRTS/CTS控制帧完成下行单向链路的半双工传输的握手过程，建立下行单向的半双工模式的数据通信链路；

c)使用RTS/FRTS/CTS控制帧或FRTS/RTS/FCTS控制帧完成对称双向链路的同时同频无线全双工传输的握手过程，建立对称双向的同时同频全双工的数据通信链路；

d)使用RTS/FRTS/CTS控制帧完成非对称双向链路的同时同频无线全双工传输的握手过程，建立非对称双向的同时同频全双工的数据通信链路；

3)数据通信过程：

完成终端用户节点与中心接入节点的通信链路的握手过程后，根据相应的握手模式进行相应的数据通信过程；

对称双向的同时同频全双工的数据传输，中心接入节点AP和用户节点E均利用物理层的自干扰抑制和抵消技术，实现在同一频段同一时段的信道中同时进行上行和下行的数据通信；非对称双向的同时同频全双工的数据传输，中心接入节点AP利用物理层的自干扰抑制和抵消技术，AP和上行链路的用户节点以及下行链路的用户节点，实现在同一频段同一时段的信道中同时进行上行和下行的数据通信；上行单向的半双工模式的数据传输和下行单向的半双工模式的数据传输，参与通信的节点均不需要利用物理层的自干扰抑制和抵消技术，在同一频段同一时段的信道中只进行上行或下行的数据通信。

5.根据权利要求4所述的无线通信中基于IEEE 802.11的集中式同时同频全双工FD‑MAC协议，其特征在于，所述的握手过程的具体方案如下：

在实现所述的握手过程建立通信链路的过程中，将参与数据通信的节点分为三个类型：

第一类：上行链路的终端用户节点，负责发送RTS帧以及DATA‑U帧；

第二类：下行链路的终端用户节点，负责发送CTS帧，并负责接收DATA‑D帧；

第三类：接入结点AP，负责发送FRTS帧、FCTS帧以及DATA‑D帧，并负责接收DATA‑U帧；

上行单向链路的半双工传输模式中，只存在第一类和第三类节点；下行单向链路的半双工传输模式中，只存在第二类和第三类节点；对称双向链路的同时同频无线全双工传输模式中，三类节点都存在，且第一类节点和第二类节点为同一个节点；非对称双向链路的同时同频无线全双工传输模式中，三类节点都存在，第一类节点和第二类节点为不同节点；

将类型一、类型二以及类型三的节点分别表示为X、Y和AP，将同时为类型一和类型二的节点表示为XY；短帧间间隔SIFS和分布式帧间间隔DIFS的定义与IEEE802.11分布式协调功能中的定义相同；

用伪代码描述本发明的握手过程和数据通信过程如下：

类型一节点的伪代码：

A)两种情况：B)X竞争得到信道资源；F)X竞争没有得到信道资源；

B)X竞争得到信道资源，转C)；

C)X向AP发送RTS帧，等待AP回复FRTS帧，转D)，或AP回复FCTS帧，转E)；

D)X收到AP发送的FRTS帧，若X不是XY，X等待2个SIFS时隙+发送CTS的时间后，向AP发送DATA